Концепція та принцип роботи квантового комп'ютера

Тема квантового комп'ютера нещодавно стала дуже популярною, і розмова про прорив технологій не вщухає, але не так давно успіх досліджень у галузі квантових розрахунків був чимось із ряду вигадки. Нові терміни вторглися в інформаційний потік і тепер не менш добре, ніж штучний інтелект та машинне навчання. Незважаючи на те, що дослідження проводилися не в перше десятиліття, воно було особливо плідним з точки зору подій, а заможні для подій були минулого року, коли IBM показав світові перший комерційний квантовий комп'ютер, і Google оголосив про досягнення квантової переваги.

Революційні відкриття в сучасній фізиці, які забезпечили новий раунд розвитку обчислювальних технологій, можуть без перебільшення змінювати світ і принести до людства величезних переваг при правильному використанні. Якщо ви зацікавлені в цій темі і хочете зрозуміти, що таке квантові комп'ютери, за яким принципом вони працюють і чому вони взагалі потрібні, то в цьому матеріалі ми поговоримо про це якомога чіткіше, не заглядаючи у вивчення кванту Механіка та структура квантового світу.

Що таке квантовий комп'ютер

Сьогодні вже є сумніви, чи є квантовий комп'ютер, немає. Якби до недавнього часу це був лише плід фантазії вчених, тепер він став абсолютно відчутним об'єктом, і ми можемо побачити, як виглядає практична реалізація системи.

Якщо ви говорите простими словами, що таке квантовий комп'ютер, то це засіб комп'ютерної технології, яка використовує закони квантової механіки у своїй роботі. Машина виконує певні завдання ефективніше, ніж простий комп'ютер, який зберігає дані в бітах.

KK використовує квантові алгоритми, які використовують такі ефекти, як суперпозиція та квантова плутанина. Для розрахунків використовуються кубики (квантові частинки), здатні бути в двох умовах одночасно. Тобто, якщо біт приймає одне з двох можливих значень- 0 або 1, то куб є і 0, і 1 одночасно, що дозволяє KC обробляти дані та виконувати математичні завдання тисячі разів швидше, ніж зазвичай. Йому не потрібно розбирати комбінації, як це робить, включаючи суперкомп'ютер, квантову систему. Відповідь обчислюється блискавкою. Ці можливості відкривають шлях до вирішення проблем, які сьогодні неможливі або вимагають великих витрат часу.

Історія створення комп'ютерів нового покоління датується далеко в 1981 році, коли вони вперше розповіли про використання квантових систем для розрахунків. Тоді це було ще далеко від фізичної реалізації, перший робочий алгоритм КК з'явився лише в 1994 році, а перша 2-кубічна машина була створена в 1998 році в Каліфорнійському університеті в Берклі. Протягом десятиліть експериментальні зразки були створені групами вчених з різних країн, але IBM та Google досягли найбільших успіхів у цій галузі.

Гонка провідних компаній в самому розпалі. У червні 2020 року Honeywell отримав повідомлення про те, що найпотужніший квантовий комп'ютер був створений на сьогоднішній день. Компанія стверджує, що створений пристрій вдвічі більше, ніж IBM та Google Quantum System. Розробка Honeywell вражає показник рекордного показника 64 квантових обсягів. Ядро системи -сталева сфера розміром з баскетболу, охолоджена за допомогою рідкого гелію до температури -262,7 ° C. Він містить пастки іонів, що утворюються з атомів, вони припиняють рух під впливом низьких температур і контролюються лазерними імпульсами.

Навіщо вам потрібен квантовий комп'ютер

Швидка обробка великих масивів даних за допомогою нових технологій може допомогти вирішити багато проблем та вплинути на різні сфери. Наприклад, KC всього за кілька секунд буде впоратися з розкладанням чисел, що складається з великої кількості ознак, для простих факторів (сам процес не є складним, але вимагає великих витрат часу, саме тут заснована сучасна криптографія) , а також вирішувати ряд подібних проблем. Крім того, технологія також підходить для моделювання складних ситуацій, включаючи обчислення фізичних властивостей елементів на молекулярному рівні.

Основні області застосування квантових комп'ютерів:

• глобальна оптимізація;
• Моделювання молекул ДНК;
• створення нових матеріалів;
• створення наркотиків;
• вдосконалення машинного навчання;
• Завдання криптографії та шифрування (включаючи хакерські алгоритми шифрування та отримання доступу до будь -якої інформації).

На цьому етапі квантові комп'ютери відрізняються складністю виробництва та нестабільністю роботи, тому поки що можливо розробити лише системи високої ефективності, ув'язнений за один алгоритм і розроблений для дуже вузького кола завдань.

Яка різниця між квантовим комп'ютером від звичайного

Протягом 30 років з моменту поняття "квантові розрахунки", наукові розробки дозволяли обчислювальній системи такого типу стати реальністю, хоча недоступними для звичайного користувача. Квантові комп'ютери базуються на унікальній поведінці, яка принципово відрізняється від роботи стандартних, знайомих машин для нас і описана квантовою механікою.

Пристрої здатні вирішити математичні задачі за лічені секунди, рішення якого на звичайному комп’ютері було б прагнути до мільярдів років. За словами Google, квантова машина Sycamore протягом більше трьох хвилин завершила розрахунки, на яких стандартний суперкомп'ютер мав би 10 000 років - це називається гучним терміном "квантова перевага".

Звичайний комп'ютер, з яким знайома кожна сучасна людина, а також смартфон, планшет або ноутбук, інформація в бітах, які приймають значення 0 або 1, і ви можете представити будь -яку інформацію, будь то текст чи зображення, будьте предмети та предмети та предмети та предмети та предметів та одиниці. Основна різниця та перевага квантового комп'ютера в використовуваному операційному блоці, що називається кубом (або квантовим бітом). Іншими словами, кубики можуть бути в стані невизначеності бути в різних станах, за аналогією з кішкою Шредінгера (явище суперпозиції).

Квантовий комп'ютер багато разів швидший і потужніший, ніж зазвичай, хоча він не підходить для більшості повсякденних завдань, оскільки його принцип роботи буде дуже різним.

Як комп’ютер майбутнього

Тепер давайте детальніше розглянемо, з чого складається висока система -. Як ми вже з’ясували, мінімальна одиниця інформації на звичайному комп’ютері - це трохи, що займає значення 1 або 0 (увімкнено або вимкнено), на квантовому комп’ютері - це кубики, які можуть взяти всі значення. У той же час квантові частинки залежать від вимірювання, що означає відсутність інформації про куб до моменту його вимірювання, процес вимірювання також впливає на значення квантового бітів, що може здатися дивним, але це саме так.

Завдяки цій властивості кубів (одночасне перебування в будь -яких умовах), поки частинку не вимірювали, комп'ютер миттєво долає ймовірні параметри рішення через наявне з'єднання між кубами. Таким чином, рішення відомо, як тільки були введені початкові дані, тобто Суперпозиція визначає паралельність розрахунків, що прискорює функціонування алгоритмів часом.

Пристрій квантового комп'ютера включає:

• Управління комп’ютером;
• Генератор імпульсів, що впливає на кубики;
• Державний реєстр;
• ЦП;
• Вимірювальний пристрій.

Для роботи між атомами забезпечується квантовий з'єднання, і чим більше зв'язків утворюється кубики, тим менше стабільність системи буде. Для квантової переваги над стандартним комп'ютером для цього знадобиться щонайменше 49 кубів, і в цьому випадку стабільність системи вже підлягає питанням. Коли створюються численні залежності, будь -які зовнішні впливи можуть впливати на них.

Через крихкість відносин КК, що складається з декількох основних рівнів, включає охолодження атомів майже до абсолютного нуля, що дозволяє захистити від зовнішніх процесів, тому пристрій захисту квантового процесора займає великий обсяг космос.

Принцип експлуатації КК

Звичайна схема роботи комп'ютерів, ноутбуків, смартфонів або планшетів за допомогою цифрового принципу заснована на використанні класичних алгоритмів, що кардинально відрізняється від принципу роботи квантового комп'ютера. Отже, звичайний комп'ютер показує той самий результат, незалежно від того, скільки разів для запуску обчислення параметри обчислюються послідовно.

Квантовий комп'ютер використовує зовсім інший - ймовірнісний принцип роботи. У певному сенсі система вже містить усі можливі рішення. Результатом розрахунків є найбільш вірогідна відповідь, а не однозначна, тоді Правильне рішення, наприклад, ключ шифрування.

У квантових системах, які використовують кубики у своїй роботі, зі збільшенням кількості частинок він зростає експоненціально, і кількість значень, оброблених одночасно.

Говорячи про те, як працює квантовий комп'ютер, варто згадати з'єднання кубів. У присутності декількох кубів у системі зміна одного також спричинить за собою зміну решти частинок. Обчислювальна потужність досягається паралельними розрахунками.

Незважаючи на багатомільйонні інвестиції, квантові технології розвиваються досить повільно. Це пов’язано з великою кількістю труднощів, з якими вченими довелося зіткнутися в процесі досліджень, включаючи необхідність створення саркофагів з низькою температурою з максимальною ізоляцією камери з процесором з будь -яких можливих зовнішніх впливів для збереження квантових властивостей системи. Крім того, дослідники мають завдання вирішувати помилки, оскільки квантові процеси та розрахунки мають ймовірнісну природу і не можуть бути сто відсотків правдивими.

Побудова стабільних систем також далеко не ідеал, і при впровадженні квантового комп'ютера на фізичному рівні використовується кілька рішень, що використовують різні технології. Отже, створення повного виготовленого універсального квантового комп'ютера все ще в майбутньому, хоча не так, як це здавалося п’ять років тому. Найбільші компанії, такі як IBM, Google, Intel, Microsoft, займаються своїм створенням, які зробили великий внесок у розвиток технологій, а також деякі держави, для яких це питання має стратегічне значення.